ÉTUDE DU POTENTIEL SISMIQUE et de l`enracinement de

5. 1
206 Rapport scientifique et technique 2007 - IRSN
Edward Marc CUSHING, Stéphane BAIZE, Stéphane NECHTSCHEIN, Pierre DERVIN , Philippe VOLANT
Bureau d'évaluation des risques sismiques pour la sûreté des installations
Le Sud-Est de la France est fréquemment cité comme étant une des régions françaises (hors territoires d’outre-mer)
présentant un niveau d’aléa sismique certes modéré, mais non négligeable si l’on en juge à partir des données de
sismicité historique (figure 1). Deux séismes ont ainsi eu des conséquences sévères sur les vies humaines et les
constructions : le séisme du 23 février 1887 en région Ligure, au sud-est de Nice, et celui du 11 juin 1909 dans les
chaînons calcaires de la région de Lambesc et de Salon-de-Provence. Ce dernier a provoqué la mort d’environ 40
personnes.
Outre ces deux séismes d’intensité exceptionnelle, une sismicité régulière de plus faible niveau se produit ; elle
s’exprime principalement dans l’arrière-pays niçois et le long d’un axe reliant la région aixoise aux confins des
Alpes-de-Haute-Provence et s’étendant jusqu’à la région de la Motte-du-Caire. Sur ce dernier axe, qui correspond
à la trace d’une faille très ancienne (300 millions d’années), les séismes modérés se sont produits presque réguliè-
rement depuis le XVIe siècle. Cette faille, ou plutôt cet ensemble de failles, est dénommée par les géologues « faille
de la Moyenne Durance » (FMD). Si la magnitude des séismes destructeurs de Ligurie et du pays niçois est estimée
à environ 6, celles des séismes de la FMD sont plus faibles, inférieures à 5,3. Le système de failles est par ailleurs
caractérisé par une microsismicité régulière. Depuis le début des années 90, les géologues ont également mis en
évidence, à l’échelle régionale et sur la FMD en particulier, des traces de séismes préhistoriques qui auraient pu
atteindre ou dépasser les magnitudes des séismes de Lambesc et de la région Ligure.
Bien que la région du Sud-Est de la France ait déjà été beaucoup étudiée par les sismologues et les géologues, la
connaissance des failles et la quantification de leur « potentialité » à générer des séismes restent encore insuffisantes
pour définir précisément l’aléa sismique qui leur est associé. Des études approfondies sont actuellement en cours
dans la communauté scientifique nationale. L’IRSN y contribue largement depuis une quinzaine d’années, dans le
cadre de ses activités de recherche. L’effort a jusqu’à présent été focalisé sur le système de failles de la Moyenne
Durance en tant que cas d’étude typique d’une « faille lente en contexte intracontinental ». L’IRSN a installé depuis
une dizaine d’années un réseau de mesures sismiques et un ensemble de stations équipées de récepteurs GPS (de
façon permanente ou temporaire). Cette instrumentation a pour but de caractériser l’activité des différents segments
constituant le système de failles de la FMD. En participant aux réseaux nationaux (géodésique et sismologique) et en
développant des réseaux locaux, l’IRSN contribue ainsi à la recherche en tectonique à différentes échelles, tout en
poursuivant son objectif principal : l’estimation de l’aléa sismique pour la sûreté des installations à risque.
ÉTUDE DU POTENTIEL SISMIQUE
et de l’enracinement de la faille
de la Moyenne Durance

Les études de sûreté et de sécurité des installations 5. 1
IRSN - Rapport scientifique et technique 2007 207
Caractérisation de l’aléa sismique :
les questions posées
Parmi les missions de l’IRSN concernant la sûreté des installations
nucléaires, l’une d’elles consiste à évaluer le niveau de protection
vis-à-vis de « l’agression externe » que peuvent constituer les
séismes. Le risque sismique résulte de la combinaison de l’aléa
(mouvement du sol généré par un séisme) et de la vulnérabilité du
bâti ou des infrastructures. La pratique réglementaire prévoit que
le maintien des fonctions importantes de sûreté d’une installation
nucléaire de base en surface, notamment et selon ses caractéristi-
ques précises, l’arrêt sûr, le refroidissement et le confinement des
produits radioactifs, puisse être assuré pendant et/ou à la suite de
séismes plausibles pouvant affecter le site de l’installation consi-
dérée.
La pratique actuelle d’évaluation de l’aléa sismique en France pour
les installations à risque (installations nucléaires et chimiques,
barrages) est une approche déterministe. Cette approche estime le
niveau d’accélération qui serait produit par le plus fort séisme
historique ramené au plus près du site, augmenté d’une marge de
sécurité. Cette marge est définie en augmentant d’un demi-degré
la magnitude du séisme retenu.
D’une manière générale, pour évaluer l’aléa, il est nécessaire d’iden-
tifier les « sources » capables de produire les séismes agresseurs et
de caractériser leur potentialité. Généralement, dans les zones de
faible sismicité où les failles sont mal connues, l’approche déter-
ministe revient à considérer des régions comme sources possibles
de séismes. Ces zones sont définies sur la base de leur homogé-
néité en termes de géologie et de sismicité. Dans les régions un
peu plus actives comme la Provence, l’Alsace et les Pyrénées par
exemple, les failles sont souvent mieux connues et, surtout, des
VLFZ
AFZ
Baronnies
Panneau provençal
Tricastin
Swarm
Alpilles
Lubéron
Nîmes F.
Durance F.
Vermeith F.
Cévennes F.
Chevauchement
Digne-
Castellane
Trévaresse
MARSEILLE
MER MÉDITERRANÉE
TOULON
AIX-EN-PROVENCE
BERRE-L'ÉTANG
NÎMES
AVIGNON
MANOSQUE
ARLES
1952
1927
1866
1913 1855
1951
1708
1506
1812
1812
1909
1769
1773
1873
1873
20 km
50°
0°5°15°
0°5°15°
40°
40°50°
45°44°43°
43°44°45°
6°5°6°4°
7°5°6°4°
A
4°30' 5°00' 5°30' 6°00'
Sismicité instrumentale (MI)
(CEA/LDG 1962-2004)
2.5 - 3
3 - 4
4 - 5
Sismicité historique
(Base de données SisFrance)
IX
VIII - IX
VIII
VII - VIII
VII
VI - VII
VI
V - VI
Site de paléosismicité
ou de déformation
quaternaire documentée
Plis actifs
Modèle de vitesse 3D
Altitude
0 m
1 300 m
1 500 m
B
4°30' 5°00' 5°30' 6°00' 6°30'
43°30' 44°00' 44°30'
44°00'
Figure 1 Carte générale de la sismicité régionale et des principales failles.

5. 1
208 Rapport scientifique et technique 2007 - IRSN
leur orientation par rapport à la direction de raccourcissement de
la croûte.
Des études de paléosismicité (étude des traces des séismes
« préhistoriques » dans les couches géologiques récentes) ont
révélé une déformation qui a été interprétée comme la preuve d’un
paléoséisme près de Manosque. D’après les auteurs [Sébrier et al.,
1997], un déplacement vertical métrique aurait pu se produire
pendant un événement sismique entre 27 000 ans BP et 9 000 ans
BP. La FMD aurait donc été capable de produire un séisme important,
dont la magnitude est estimée entre 6,0 et 6,5 en s’appuyant sur
des relations empiriques reliant dimension de la faille et énergie du
séisme. Une telle magnitude conduit à admettre que la faille a
affecté, lors de ce séisme majeur, non seulement la série sédimen-
taire superficielle (entre 0 et 5 km), mais aussi une partie profonde
jusqu’à 10-15 km. Ceci implique que la FMD serait une faille
« enracinée » dans le socle cristallin.
Les interprétations des déformations superficielles sont souvent
ténues et leur signification en termes de paléoséismes (surtout de
magnitude) est délicate et parfois sujette à caution. Si les défor-
mations observées près de Manosque ne correspondaient pas à une
trace de paléoséisme, aucune autre preuve de rupture impliquant
largement la croûte n’existerait pour la FMD.
Dans ce contexte, les seules données qui permettent de déterminer
les caractéristiques des séismes maximaux sont les observations
historiques (1509, 1708, 1812, 1913). Elles conduisent à des magni-
tudes voisines de 5 et à des séismes de faible profondeur. Dans ce
cas, seule la partie supérieure de la croûte (couverture sédimentaire)
serait active.
La levée de l’indétermination entre ces deux hypothèses d’activité
superficielle ou profonde sur l’enracinement est importante en
termes d’aléa sismique puisqu’elle conditionne, in fine, le choix des
caractéristiques des séismes à prendre en compte pour la FMD.
Deux approches complémentaires ont été mises en œuvre afin
d’évaluer les dimensions des sources sismogéniques : d’une part,
l’examen des lignes sismiques disponibles pour imager les failles
en profondeur, d’autre part, l’étude de l’activité microsismique
pour bien localiser en profondeur les zones actives des segments
de faille.
Connaissance de la structure (3D) de la FMD à partir
de l’imagerie géophysique (dont données pétrolières)
Les dimensions des sources sont conditionnées par la répartition
spatiale des « segments » de faille. Décrire cette segmentation
revient donc, dans un premier temps, à détailler les traces des
branches de faille qui peuvent être cartographiées en surface. Dans
un deuxième temps, il faut évaluer l’extension en profondeur des
différents segments de faille qui constituent autant de zones pos-
sibles de rupture individuelle. L’aire de chacun de ces segments
séismes importants peuvent être associés (par leur position carto-
graphique) à ces failles-sources.
Il reste qu’estimer l’aléa relève d’une démarche plus large qui
nécessite d’apporter des réponses aux questions suivantes :
quelle est la taille des failles qui peuvent générer des séismes ?
La magnitude d’un séisme, et donc sa dangerosité, est directement
liée à ce paramètre. La taille et l’extension d’une faille active peu-
vent être déterminées par la cartographie en surface et la localisa-
tion des microséismes, ainsi que par l’imagerie en profondeur. La
caractérisation de séismes majeurs « préhistoriques » permet
également d’évaluer ce paramètre ;
avec quelle vitesse se déforme la région affectée par les failles
en question ? Il s’agit d’un critère important pour savoir avec
quelle périodicité reviendront les séismes majeurs. En plus de la
datation des marqueurs géologiques, les mesures géodésiques
apportent des données utiles pour évaluer cette vitesse.
Évaluer l’aléa sismique associé à un système de failles actives
consiste à répondre aux questions précédentes grâce à la mise en
œuvre d’études. Les principaux résultats de celles menées par
l’IRSN sur la FMD sont présentés ci-après, avec la description et
l’analyse des données récentes concernant la microsismicité, la
géométrie en profondeur de la faille, la vitesse de déformation.
L’approche correspondante est complémentaire de l’approche
réglementaire mentionnée ci-avant et permet d’appréhender l’aléa
spécifique d’une faille lente active, pour laquelle la sismicité histo-
rique donne accès à une période trop courte pour être représenta-
tive de l’historique complet de son activité.
Taille des failles du système FMD pouvant
produire les séismes
Potentialité de séismes majeurs liée à la connaissance
de l’enracinement des failles
La FMD n’est pas une structure unique et continue. Il s’agit d’un
système complexe de failles plutôt discontinues, pour la plupart
héritées d’épisodes tectoniques anciens, qui s’étend sur 70 km et
qui affecte vraisemblablement toute l’épaisseur de la croûte jusqu’à
une trentaine de km de profondeur. Ce système de failles a joué un
rôle majeur pendant l’ère Mésozoïque (250 à 65 Ma), puis à l’Oligo-
Miocène (35 à 15 Ma) lors de la formation des bassins sédimentaires
de Manosque-Forcalquier et d’Aix-en-Provence, puis du bassin de
Valensole (de 10 Ma à maintenant). À ces époques, les failles ont
joué en étirement pendant la formation de la Méditerranée. Par la
suite, ces mêmes failles ont joué en raccourcissement pendant les
épisodes alpins (Mio-Pliocène, entre 15 et 2 Ma). Elles ont donc été
récemment remobilisées en failles inverses ou décrochantes, suivant

Les études de sûreté et de sécurité des installations 5. 1
IRSN - Rapport scientifique et technique 2007 209
après leur acquisition selon la loi). Jusque dans les années 1980,
la représentation de la structure de la FMD a reposé sur l’hypo-
thèse d’une faille à fort pendage, s’ancrant profondément dans la
croûte cristalline, affectant de concert le socle pré-Mésozoïque
et sa couverture sédimentaire. Cette interprétation reposait sur
les données de forages et les campagnes de sismique des années
1970 (société Elf).
L’analyse des données de sismique-réflexion acquises par la société
Total en 1985-1986 a permis à Benedicto-Esteban (1996) de
proposer une nouvelle interprétation structurale de la FMD entre
Saint-Paul-lez-Durance et Peyruis. Par rapport à l’interprétation
initiale, cette nouvelle représentation décrit un système de failles
inclinées s’aplatissant vers la base de la série sédimentaire dans les
niveaux ductiles de gypses et de sel du Trias (faciès parfois qualifiés
de « couches-savons »), réputés pour favoriser le glissement en
masse de la pile sédimentaire sus-jacente. Dans l’interprétation de
Benedicto-Esteban (1996), ces failles dites listriques surplombent
d’autres failles qui provoquent l’enfoncement vers l’ouest du socle
cristallin.
L’IRSN a également interprété quelques autres lignes sismiques. Le
CEA a fourni quatre lignes de 1971, tandis que la société Coparex
en a fourni trois (campagne Total de 1985-1986). Sur la base de
ces sept profils et de sa connaissance géologique de la région,
l’IRSN a lui aussi identifié deux ensembles de failles superposées.
Ainsi, sur la base de l’ensemble des données précédentes, l’exis-
tence de failles profondes ne peut pas être écartée et la question
conditionne la taille des séismes maximaux susceptibles de se
produire sur la faille. On dispose de relations empiriques reliant
certains paramètres géométriques tels que la surface de la rupture
instantanée lors d’un séisme, la longueur de la trace de la faille en
surface pendant cette rupture, à l’énergie du séisme exprimée par
sa magnitude. Ces relations ont été établies à partir d’observations
géologiques et sismologiques, pendant les trente dernières années,
lors de séismes survenus en différentes régions de la planète.
Depuis la fin des années 50, les compagnies pétrolières se sont
intéressées aux réserves en hydrocarbures sur le territoire natio-
nal et, dès 1960, un certain nombre de forages d’exploration ont
été réalisés dans le sous-sol provençal, notamment dans la région
de la Durance. On dispose ainsi aujourd’hui de données géologi-
ques détaillées sur les séries sédimentaires qui constituent cette
région. Ces forages ont localement atteint le « substratum cris-
tallin » de la série sédimentaire, en particulier à l’est de la vallée
de la Durance. En plus de l’étude de la géométrie des couches
sédimentaires, preuve a été apportée de la forte dissymétrie
géologique entre la couverture sédimentaire épaisse à l’ouest de
la FMD (bassin de Forcalquier) et une couverture plus mince
(1 à 2 km) à l’est (figure 2).
Les recherches pétrolières ont ensuite été poursuivies par des
campagnes exhaustives de sismique-réflexion, visant à imager les
premiers kilomètres des séries sédimentaires. Ces campagnes,
réalisées dans les années 1970 et 1980, ont amélioré significati-
vement la connaissance structurale régionale. Si les données
interprétées sont toujours non publiques, les données brutes sont,
en revanche, disponibles et peuvent être « déstockées » (dix ans
0
20000
40000
60000
0
20000
40000
60000
80000
0
10000
Z
Y
X
N
MDFZ
Lubéron
Trévaresse
Aix Fault
1
12
13
11
10
8
5
4
3
9
2
6
7
10 km
N
Figure 2 Segmentation de la FMD (détail de la région de Manosque). Segmentation simplifiée en vues 2D & 3D.

5. 1
210 Rapport scientifique et technique 2007 - IRSN
tique, mais il est plus adapté pour la localisation de la microsismicité
que le modèle « 1D » utilisé auparavant.
La localisation des séismes a été obtenue en utilisant ce modèle de
vitesse 3D et le programme d’inversion « NonLinLoc » développé par
A. Lomax [Volant et al., 2003]. La méthode utilisée permet de mini-
miser les incertitudes sur la localisation en trois dimensions. Ainsi,
155 événements ont été localisés. Leur magnitude de moment a été
calculée à partir des spectres de déplacement [Nechtschein, 2003 ;
Volant et al., 2003] : elle est comprise entre 1 et 3. Pour réaliser une
interprétation sismotectonique, seuls les « meilleurs » séismes rem-
plissant les deux conditions suivantes ont été retenus : ils ont été
enregistrés par au moins cinq stations et ils ont été suffisamment
bien localisés (incertitude inférieure ou égale à 2 km). Ces critères ont
conduit à ne conserver que 59 événements localisés correspondant
à des séismes « tectoniques ». Il n’a été possible de calculer des
mécanismes au foyer(1), décrivant la cinématique du déplacement de
la faille mobilisée pendant le séisme, que pour 27 d’entre eux, en
utilisant le code « FPFIT » [Reasenberg & Oppenheimer, 1985].
Répartition de la sismicité
La distribution des épicentres (figure 4) montre une image moins
diffuse que celle de la microsismicité décrite par les réseaux nationaux
de leur activité reste en suspens. C’est pour répondre à ces incer-
titudes que l’IRSN a décidé de tirer également parti des données
instrumentales disponibles depuis l’installation dans les années
1990 de son réseau sismométrique.
Utilisation par l’IRSN de la microsismicité pour connaître
la géométrie de la faille et le mécanisme de déformation
Moyens mis en œuvre
L’IRSN étudie la sismicité de la FMD afin d’améliorer la compré-
hension de sa structure et de son fonctionnement. C’est en 1992
que l’IRSN a entrepris la conception et la mise en place de son
réseau de surveillance sismique, constitué alors de six points de
mesure et centré sur le village de Beaumont-de-Pertuis (Vaucluse).
L’objectif de ce dispositif était de pouvoir localiser les séismes se
produisant sur la FMD et d’en calculer la magnitude afin de connaî-
tre le plus finement possible le fonctionnement de cette faille
active.
Le réseau sismique IRSN de la Durance est actuellement composé
de 12 vélocimètres et de 18 accéléromètres (figure 3). Les stations
vélocimétriques comprennent des capteurs « L4 » de fréquence de
résonance 1 Hz, associés à des chaînes d’acquisition « M88/MC »
de fabrication Lennartz. Le parc accélérométrique est composé
d’instruments « Etna » et « K2 » fabriqués par Kinemetrics. Toutes
ces stations sont à trois composantes (deux composantes horizon-
tales, une composante verticale). L’ensemble des vélocimètres, ainsi
que les accéléromètres de Cadarache, Pierrevert, Manosque, Jouques,
Saint-Michel-l’Observatoire et la Vigie sont télémétrés. La combi-
naison de ces deux types d’instrument permet, d’une part, de
surveiller la sismicité locale avec une très haute sensibilité grâce
aux vélocimètres, d’autre part, d’avoir des signaux non saturés en
cas de mouvement fort grâce aux accéléromètres.
Premiers résultats
Les premiers résultats sur la microsismicité de la FMD ont été publiés
par Volant [Volant et al., 2000 et 2003]. Un travail plus exhaustif
sur l’activité sismique enregistrée de 1999 à 2006 a été réalisé en
2006. Cette étude a permis de localiser la microsismicité plus
finement et de préciser les modalités de répartition des contraintes
autour de la FMD (Cushing et al., 2008). Auparavant, il a été néces-
saire de réaliser une synthèse des données géologiques et géophy-
siques disponibles afin d’établir, d’une part, un modèle à petite
échelle de la segmentation de la FMD [Cushing et Bellier, 2003] et,
d’autre part, un modèle de vitesse « 3D » (des ondes P) à l’échelle
régionale. Ce modèle s’attache à décrire la géométrie de la croûte
terrestre en termes de superposition et de juxtaposition de couches
de propriétés différentes (notamment en termes de vitesse de pro-
pagation des ondes sismiques). Compte tenu du faible nombre de
lignes sismiques et de forages disponibles, ce modèle reste schéma-
MLY
BLA
VAL
GRX
GIN
CAD
ART
JOU
BST
BLV
ESC
MEY
OBS
Vélocimétrie
Accélérométrie
GPS
10 km
N
Figure 3 Réseaux instrumentaux de la FMD (accélérométrie,
vélocimétrie, GPS).